采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体制造领域，特别涉及一种采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜及方法。
【背景技术】
[0002]由于很难得到大尺寸的GaN体单晶材料，到目前为止，高质量GaN材料一般都通过异质衬底外延方法获得。高质量的外延薄膜一般需衬底满足晶格常数匹配、热膨胀系数匹配、可大尺寸和价格适宜等原则。迄今为止，还没有一种异质衬底能同时满足上述所有条件。目前已经商品化的LED按照衬底划分有三条技术路线，即蓝宝石衬底技术路线、SiC衬底技术路线和Si衬底技术路线。
[0003]随着信息社会的发展，微机械加工技术被越来越广泛地应用于微电子机械系统(MEMS)，尤其是应用于各种微传感器的制作过程中。微结构的制作是微机械加工技术中的一项关键技术，将其利用在GaN外延技术当中，制备具有纳米结构的基底并在其上进行二次同质外延，能够得到无裂纹、低位错的高质量GaN薄膜。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，提供一种采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜及方法，可以提高氮化镓外延薄膜的质量。
[0005 ]本发明提供一种采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜，包括:
[0006]一衬底材料层；
[0007]—缓冲层，该缓冲层制作在衬底材料层上；
[0008]— GaN薄膜层，其制作在缓冲层上；
[0009]—纳米尺寸同质外延层，其制作在GaN薄膜层上表面内；
[0010]— GaN层，其制作在纳米尺寸同质外延层上。
[0011]本发明还提供一种采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜制备方法，包括以下步骤:
[0012]步骤1:取一衬底材料层，清洗；
[0013]步骤2:在衬底材料层上外延生长缓冲层；
[0014]步骤3:在缓冲层上外延生长GaN薄膜层；
[0015]步骤4:在GaN薄膜层上面，利用湿法腐蚀的方法腐蚀GaN薄膜层，在GaN薄膜层的上面得到纳米尺寸同质外延层，形成基底；
[0016]步骤5:对基底进行清洗；
[0017]步骤6:在基底的上表面上外延生长GaN层，清洗，完成制备。
[0018]本发明的有益效果是:
[0019]1.由于GaN与异质外延衬底Si或蓝宝石或SiC存在着热失配，在外延过程中，从高温到低温的变化过程中两种材质会出现膨胀尺寸不同的效果，导致外延GaN薄膜当中存在一定量的内应力，该应力会使整个基底出现不同程度的翘曲，并且应力的释放会引起薄膜裂纹的出现。本发明利用湿法腐蚀的方法在一次外延层上腐蚀出纳米孔结构，使得基底部分应力释放而不会引起裂纹，并且在之上二次外延的薄膜应力会在界面处得到释放，从而得到无裂纹，翘曲程度低的外延薄膜。
[0020]2.由于GaN与异质外延衬底Si或蓝宝石或SiC存在着晶格失配，外延时会在外延层当中出现大量沿外延方向分布的穿透位错。穿透位错密度越高，外延薄膜的质量越差。本发明利用湿法腐蚀的方法在一次外延层上腐蚀出纳米孔结构，在二次外延时，GaN会沿着纳米孔的侧壁进行生长，在外延横向生长薄膜发生合并时，穿透位错会发生相应的横向截断，只会在一小部分孔壁之上出现位错，大大降低了穿透位错的密度，得到了高质量的外延薄膜。
【附图说明】
[0021]为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中:
[0022]图1是本发明的GaN薄膜衬底的结构示意图。
[0023]图2是本发明的GaN薄膜衬底的制备方法流程图。
【具体实施方式】
[0024]请参阅图1所示，本发明提供一种采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜，包括:
[0025]一衬底材料层10，所述衬底材料层10的材料为Si或者蓝宝石或SiC，该衬底材料层10的尺寸为2英寸、4英寸或8英寸，厚度为200-900μπι;
[0026]一缓冲层11，厚度为100-300nm，材料为高温或低温条件下，利用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)或MBE(分子束外延)生长的AlN或AlGaN，该缓冲层11制作在衬底材料层10上，可消除或减少衬底与外延GaN薄膜间晶格失配引起的位错。
[0027]— GaN薄膜层12，该层厚度为1_3μπι，制作在缓冲层11上；
[0028]—纳米尺寸同质外延层13，其制作在GaN薄膜层12上表面内；
[0029]一 GaN层14，该层厚度为1-2μπι，厚度为100-200nm，其表面为密集分布的特征尺寸为5-20nm的纳米孔及纳米线结构，孔深或纳米线长度为100-200nm，其制作在纳米尺寸同质外延层13上。腐蚀出纳米孔的结构使得基底部分应力释放而不会引起裂纹，并且在之上二次外延的薄膜应力会在界面处得到释放，从而得到无裂纹，翘曲程度低的外延薄膜;并且在二次外延时，GaN会沿着纳米孔的侧壁进行生长，在外延横向生长薄膜发生合并时，穿透位错会发生相应的横向截断，只会在一小部分孔壁之上出现位错，大大降低了穿透位错的密度，得到了高质量的外延薄膜。
[0030]请参阅图2及图1所示，本发明还提供一种采用GaN图形衬底纳米同质外延制备GaN薄膜的制备方法，包括以下步骤:
[0031]步骤1:取一衬底材料层10，该层材料为Si或者蓝宝石或SiC，该衬底材料层10的尺寸为2英寸、4英寸或8英寸，厚度为200-900μπι，清洗，清洗液包括丙酮、王水、甲醇、去离子水，将基底在上述溶液中依次常温下浸泡10-20min，最后用氮气吹干；
[0032]步骤2:在衬底材料层10上利用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)外延生长缓冲层11，厚度为 100-300nm;
[0033]步骤3:在缓冲层11上利用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)外延生长GaN薄膜层12，厚度为1_3μπι，生长温度为900-1300°C;
[0034]步骤4:在GaN薄膜层12上面，利用湿法腐蚀的方法腐蚀GaN薄膜层12，在GaN薄膜层12的上面得到纳米尺寸同质外延层13，厚度为100-200nm，其表面为密集分布的特征尺寸为5-20nm的纳米孔及纳米线结构，孔深或纳米线长度为100-200nm，腐蚀液为AgN03/HF，AgN〇3的浓度为0.001-0.0謂，冊的浓度为1-51，腐蚀时间为1-101^11，形成基底;腐蚀在紫外光照条件下进行；
[0035]步骤5:对基底进行清洗；
[0036]步骤6:在基底的上表面上外延生长GaN层14，厚度为1_2μπι;清洗，完成制备。
[0037]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜，包括: 一衬底材料层； 一缓冲层，该缓冲层制作在衬底材料层上； 一 GaN薄膜层，其制作在缓冲层上； 一纳米尺寸同质外延层，其制作在GaN薄膜层上表面内； 一 GaN层，其制作在纳米尺寸同质外延层上。2.根据权利要求1所述的采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜，其中所述衬底材料层的材料为Si或者蓝宝石或SiC，该衬底材料层的尺寸为2英寸、4英寸或8英寸，厚度为200-900μηιο3.根据权利要求1所述的采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜，其中所述GaN薄膜层的厚度为1-3μηι;所述GaN层的厚度为1-2μηι。4.根据权利要求1所述的采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜，其中缓冲层的厚度为 100-300nmo5.根据权利要求1所述的采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜，其中纳米尺寸同质外延层的厚度为100-200nm，其表面为密集分布的特征尺寸为5-20nm的纳米孔及纳米线结构，孔深或纳米线长度为100-200nmo6.—种采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜制备方法，包括以下步骤: 步骤I:取一衬底材料层，清洗； 步骤2:在衬底材料层上外延生长缓冲层； 步骤3:在缓冲层上外延生长GaN薄膜层； 步骤4:在GaN薄膜层上面，利用湿法腐蚀的方法腐蚀GaN薄膜层，在GaN薄膜层的上面得到纳米尺寸同质外延层，形成基底； 步骤5:对基底进行清洗； 步骤6:在基底的上表面上外延生长GaN层，清洗，完成制备。7.根据权利要求6所述的采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜的方法，其中所述衬底材料层的材料为Si或者蓝宝石或SiC，该衬底材料层的尺寸为2英寸、4英寸或8英寸，厚度为 200-900μπι。8.根据权利要求6所述的采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜的方法，其中外延生长的GaN薄膜层的厚度为1-3μπι，生长温度为900-1300°C;所述GaN层的厚度为卜2μπι;该缓冲层的厚度为100-300nmo9.根据权利要求6所述的采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜的方法，其中腐蚀得到的纳米尺寸同质外延层的厚度为100-200nm，其表面为密集分布的特征尺寸为5-20nm的纳米孔及纳米线结构，孔深或纳米线长度为100-200nm，腐蚀液为AgN03/HF，AgN03的浓度为0.001-0.0謂，册的浓度为1-51，腐蚀时间为1-1011^11。10.根据权利要求6所述的采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜的方法，其中清洗的清洗液包括丙酮、王水、甲醇或去离子水，将基底在上述溶液中依次常温下浸泡10-20min，最后用氮气吹干。
【专利摘要】一种采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜及方法，其中采用GaN纳米图形衬底同质外延制备GaN薄膜，包括：一衬底材料层；一缓冲层，该缓冲层制作在衬底材料层上；一GaN薄膜层，其制作在缓冲层上；一纳米尺寸同质外延层，其制作在GaN薄膜层上表面内；一GaN层，其制作在纳米尺寸同质外延层上。本发明可以提高氮化镓外延薄膜的质量。
【IPC分类】H01L33/12, B82Y40/00, H01L33/00
【公开号】CN105552187
【申请号】CN201510940416
【发明人】袁国栋, 王克超, 张璐, 吴瑞伟, 王军喜, 王国宏, 李晋闽
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月16日